基于热传导模型的IGBT结温计算方法

针对IGBT芯片结温难以直接测量的问题,提出了一种基于热传导模型的IGBT结温计算方法。基于经典的Cauer型RC网络结构,建立了变流器热传导模型;结合传递函数概念和热传导模型结构,完成了变流器热传导模型的参数识别;通过查阅IGBT产品手册以及实际工作工况,计算得到IGBT实时功率损耗;最终通过MATLAB/Simulink进行仿真计算,得到变流器IGBT芯片的实时结温。此方法实现了IGBT芯片结温的快速计算,为IGBT可靠性和寿命评估提供了数据支撑,同时也为功率模块及变流器的设计研发提供了新的科学依据。     

高可靠牵引变流器IGBT主动结温控制技术研究

轨道交通变流器应用工况相对严苛,对变流器和IGBT器件的可靠性与寿命要求较高。为改善IGBT的结温提高变流器的应用寿命和可靠性,基于机车变流器模块的工作模式构建通用损耗计算模型,实现对变流器IGBT器件结温的在线估算;在此基础上,结合轨道交通应用场景,分别从开关损耗和散热系统2个维度设计了一种综合主动结温控制方法。仿真和试验验证实施主动结温控制是可行的。     

一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法

实现准确的结温监测对增强绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块的可靠性、延长器件寿命至关重要。文章提出了一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法,具有不受负载电流干扰的特性。该方法首先验证了关断电压作为温敏电参数的合理性;其次,采用深度神经网络（DNN）,排除关断电压对负载电流的依赖,达到不同工况下保持准确结温预测的目的;最后,通过单相脉宽调制（PWM）进行试验验证。结果显示,该结温监测方法误差在±5℃的范围内,这表明利用DNN优化结温监测是可行的。     

半实物仿真技术在轨道交通用IGBT寿命预测中的应用

IGBT是列车牵引变流器的核心部件,其寿命预测技术是整车故障预测与健康管理的重要依据。采用半实物仿真方式对CRH_5型动车组IGBT电流、电压等参数进行提取,基于这些参数进行与寿命相关的仿真和计算。计算表明:逆变器侧IGBT模块寿命小于脉冲整流器侧IGBT;IGBT的主端子、芯片和DBC焊层会提前出现失效征兆现象。该方法为准确评估轨道交通用IGBT模块寿命预测提供参考。     

变流器的接地检测电路

针对大功率变流器接地故障的检测,设计了一种新的接地检测电路并提出相应接地判断逻辑方案;结合变流器的共模干扰模型,分析了接地电压波动的原因;通过计算和实际测量,提取了大功率变流器共模干扰参数,并在Matlab下搭建大功率变流器接地检测模型。仿真和试验结果表明,所提出的变流器接地检测策略能够有效地判断变流器接地故障。     

IGBT结温的近似计算方法及应用

描述了IGBT的结构及散热原理。介绍了一种IGBT结温近似计算方法,将IGBT的导通损耗和开关损耗的计算大大简化,使结温的计算变得简便易行。通过应用实例验证了近似计算方法的可行性和准确性。     

城轨列车车载超级电容寿命预测研究

城轨列车运行过程中,会对储能系统进行充放电,储能系统的超级电容组承受着周期性循环的结温波动,结温频繁变化会损伤超级电容,是列车储能系统中最易发生故障的器件之一。为了在线计算超级电容的结温状况,首先建立等效热网络模型;然后将热模型获得的结温曲线通过实时雨流计数法提取结温特征,结合所提寿命预测模型实现超级电容组的寿命预测。另外,以三维图的形式展示各平均温度和温度波动条件下超级电容组的循环寿命,为预测更多工况条件下超级电容组的寿命提供参考,以便进一步提高储能系统的可靠性和安全性。     

牵引变流器功率器件结温在线监测方法综述

功率器件结温在线监测对牵引变流器安全可靠运行至关重要,准确的结温监测是牵引变流器失效分析、运行状态监测、健康管理和剩余服役寿命预测的基础。因此,面向功率器件结温在线监测开展了大量研究。在此基础上,概述了以热网络模型法和温敏参数法为主的功率器件结温在线监测方法,以此为分类基准梳理了现有功率器件的结温监测方法并讨论了在牵引变流器中在线实现的可能,详细介绍了功率器件结温监测方法针对在线应用及客观因素干扰的发展与改进。最后,总结并对比了现有功率器件结温在线监测方法的演变、联系与差异,在分析现有结温监测方法面临挑战的基础上,展望功率器件结温在线监测在人工智能技术辅助下的前景。     

轨道交通用IGBT器件寿命预测技术综述

随着中国轨道交通车辆陆续进入高级修阶段,IGBT器件寿命预测技术成为行业关注的热点,科学的寿命评估方法是实现IGBT变流器全生命周期管理的基础。文章针对轨道交通的应用,介绍了IGBT器件失效机理、寿命预测模型及计算流程;通过概述国内外相关研究现状,归纳了目前IGBT器件寿命预测面临的难题,分析了通过采用智能化驱动、大数据分析及人工智能、状态检测等技术来提高IGBT器件寿命预测的准确性。     

IGBT模块与散热器接触界面气隙对散热的影响研究

IGBT模块与散热器接触界面使用导热硅脂来降低接触热阻,在轨道交通领域,由于运行环境的频繁振动和温度循环,使硅脂可能发生挥发、流失或干涸,从而在接触界面产生气隙,使传热条件恶化。文章通过数值仿真以及热性能试验2种方法,研究界面气隙对IGBT模块结温和壳温的影响。结果表明,在硅脂气隙产生的初期,气隙对IGBT结温的影响较小;随着气隙扩大,则会使结温明显升高,导致IGBT模块寿命降低,甚至使IGBT模块迅速损坏。     

新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

牵引级IGBT模块是现代轨道机车车辆牵引变流器中实现电能变换和功率输出的核心功率器件。新一代牵引级IGBT模块采用最新的IGBT4芯片、EC4二极管芯片、VLD和DLC芯片边缘终端技术,优化了芯片面积与栅极电荷的设计,具有较低的导通电压、优良的高低温电气特性和安全工作区性能。新型IHV-B封装优化了内部芯片布局和互连设计,降低IGBT模块的杂散电感;通过增大芯片的有源面积,减少静态损耗并降低了模块的"结-壳"热阻;优化的功率端子结构提高了抗振动性能,并具有良好的温度分布特性。IGBT4模块通过了一系列严格的可靠性测试,具有良好的环境适应性、功率循环能力和高可靠性。应用IGBT4模块可以提升牵引变流器的功率密度和集成度设计,实现小型轻量化和长寿命的牵引系统解决方案。     

基于Matlab的IGBT能耗模型及其在热仿真中的应用

提出了一种基于Matlab的IGBT热仿真新方法。基于此方法,利用Simulink和S-Function建立了TIM1500ESM33-TS型IGBT的器件损耗仿真模型,并将其应用在三相两电平SVPWM逆变器的仿真中。仿真结果表明,该方法不仅能获得比较精确的IGBT实时损耗、实时结温等重要指标,而且由于采用了IGBT实时工作电流作为仿真的输入变量,所以可适用于多种工况下的IGBT仿真。     

HXD1C机车辅助变流器系统及特性分析

阐述了HXD1C机车辅助变流器系统及主电路逻辑控制过程,分析了主电路的等效阻抗、输入电感特性及中间直流环节特性,提出一种开关电压电流估算方法,并通过仿真对主电路电压电流波形进行分析,为进一步确保辅助变流器的正常稳定运行和辅助变流器的优化改善提供参考.     

LLC谐振变换器中IGBT的死区时间分析及优化设计

IGBT死区时间的合理设置是零电压开关(ZVS)型LLC变换器实现软开关的必要条件。在IGBT关断时,由于其输出电容非恒定,导致死区时间设置相对复杂。文章分析了IGBT的关断特性,指出在LLC谐振电路中工作结温越高,工作功率越大,越不利于实现软开关;提出应在最高工作结温和最大工作负载情况下设计最小和最大死区时间。最后,通过搭建60 kW的LLC变换器进行验证,试验结果与理论计算结果基本一致,验证了优化设计的准确性。     

地铁车辆IGBT瞬态结温计算方法研究

基于IGBT模块封装的物理结构,分析了热量冲击导致芯片失效的主要原理.根据芯片热损耗的主要传递路径,建立了热量传递各环节的瞬态传热模型,并分别给出了瞬态温升计算方法.尤其对热量传递模型较复杂的走行风冷热管式散热器进行了详细分析和试验研究,并给出了获取散热器热阻抗模型实时参数的有效解决方法;最后,对芯片瞬态结温计算方法进行了总结,并开发了软件工具.文章介绍的计算方法和软件工具可推广应用,为IGBT模块瞬态结温计算提供重要参考.     

问与答

答：（1）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率MOSFET 技术的派生器件。它结合了双极结型晶体管（BJT）的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度的特点,是一种电压控制型器件。与晶闸管相比，IGBT速度更快，dv/dt抗干扰和栅极关断能力更好。当某些晶闸管例如GTO由门极关断时，要求有反向门极电流，而IGBT关断时，唯一要求的是栅极电容放电。象MOSFET一样，IGBT是跨导器件，只要保持栅极电压在阈值电压电位以上，便能维持IGBT的充分导通状态。在故障情况下，IGBT表现了可靠耐用的特性。当器件处于端子短路或接地状态时，短路…     

有源钳位四电平能馈变流器预测电流控制

地铁能馈变流器能回收车辆制动能量,实现节能减排。多电平变流器可以降低有源开关的断态电压上升率,有效保护电路元件,提高输出电流的波形质量,一直是中大功率领域研究的热点。模型预测控制算法是应用于多电平变流器的一种控制算法,具有运算简单、速度快和适用性广等优点,在变流器控制领域有广阔的应用前景。目前,能馈变流器的拓扑主要为二电平和三电平,对四电平拓扑的应用关注较少。有源钳位四电平拓扑采用有源器件的T型连接代替钳位二极管,减少了元件数量,降低了系统损耗。在四电平能馈变流器的控制算法方面,载波调制算法仍被广泛使用,模型预测控制算法未能得到应用。在此背景下,提出一种适用于有源钳位四电平拓扑的预测电流控制算法,建立四电平拓扑的数学模型,分析开关状态对直流母线电容电压的影响,建立电流和电容电压的预测模型。通过模型预测控制算法中的代价函数,实现输出电流和电容电压的多目标控制。利用并网仿真模型对所提算法进行验证,在预测控制作用下可以顺利并网,并输出高质量的电流。进行阻感负载实验,能有效跟踪给定电流,维持电容电压稳定,对于负载突变也有较强的鲁棒性。仿真和实验均证明了拓扑模型和控制算法的有效性,展现了其在地铁...     

高压IGBT芯片开关过程栅分布效应仿真研究

高压IGBT在导通或关断时是先从栅焊盘处获得驱动信号,然后再依靠多晶硅层通向芯片的各个区域。由于多晶硅层形成的栅分布电阻效应使得芯片内元胞对栅驱动信号的反应时间不同,芯片内各个元胞不能同时开启或关断,因此IGBT芯片在开关过程中容易产生电流集中现象,尤其当芯片面积较大时,电流集中的现象尤为明显,由此引起芯片动态过程分布效应问题。文章围绕IGBT的电学和温度特性研究高压IGBT芯片动态过程分布,对IGBT芯片进行器件结构建模,搭建Spice电路构建带有栅极电阻和栅极分布电阻的IGBT模型,仿真分析IGBT芯片动态过程中电压、电流和功率的变化情况。采用ANSYS仿真软件构建IGBT热仿真模型,仿真分析动态过程分布中电流集中效应给器件表面温度分布带来的影响,为提高器件的电流和温度分布均匀性提供了重要的参考依据。     

城轨牵引变流器自主化设计与研制

通过对DC 750V城轨牵引变流器的主电路设计,完成了IGBT及散热功率的参数计算和选型;设计和开发了变流器核心部件牵引控制单元,提出了控制单元硬件设计架构和功能,同时对软件设计及开发平台进行介绍。自主开发研制的牵引变流器在交流传动国家重点试验室完成了地面组合试验,并通过了型式试验。     

交直电力机车中电流型四象限变流器及其微型计算机控制系统

电流型四象限变流器是一种脉冲宽度调制的交直流变换装置,具有功率因数高、谐波电流小、再生方便等优点。本文阐述了该变流器的工作原理,换流过程,控制方案以及主电路的电压,电流关系,元器件的最佳参数设计,并以直流电动机—发电机组为负载,对研制的电流型四象限变流器及其微型计算机控制系统进行牵引和再生试验,所得结果与理论分析相吻合。